論大粒徑瀝青混合料配比設計抵抗車轍病害的重要性

趙曉玲

(山西堯通公路勘察設計院有限公司，山西 臨汾 041000)

0 前 言

隨著交通量的增加，道路日常使用具有多軸次、重軸載的特點，受多重外部因素的干擾，路面顯現出不同形式、不同程度的病害。其中，車轍是較為常見的一類，其會威脅到車輛通行的平穩性，因此，需要以合理的方式提高路面的抗車轍性能。在現代道路工程建設中，大粒徑密級配瀝青混凝土是優質的材料，可用于下面層的填筑，兼具高溫穩定性好、嵌鎖能力強等多重優勢，建成的路面抗車轍效果突出，可以為車輛通行提供安全保障，提高出行舒適性，延長路面使用壽命。

1 工程概況

某項目重點內容為路面大修，新建路面結構層，配套高效、高穩定性的排水設施，以提高道路通行安全為基本前提，實現“暢、安、舒、美”多層面的目標。項目全長132.345 km，起點位于山西省霍州市白龍鎮，終點位于山西省侯馬市，考慮到資金有限的既有工程條件，著重加強重載方向和輕載方向急彎陡坡段施工材料的配置，選用的是SBS改性瀝青，除此之外的其他各段均用70#道路石油瀝青施工。

2 路面底層瀝青碎石混合料的配合比設計

在本路面建設中，力爭打造嵌擠骨架-密實型結構，盡可能提高其在抗彎拉、抗剪方面的性能優勢，較之于普通瀝青混凝土，施工所用材料的粗集料粒徑更大。以不增加成本為前提，通過改善材料級配，提升路面的抗車轍性能，確保其在使用中可有效抵御行車荷載等外部因素的作用，延緩車轍的發生、盡可能抑制車轍的發展。其中，大粒徑瀝青混合料的配合比設計為重點內容，合理做好此項工作對于提高瀝青路面抗車轍病害的能力而言有重要的意義。

2.1 瀝青混合料的相關技術標準

瀝青混合料相關技術標準具體如表1～2所示。

瀝青混合料相關技術標準

表1 馬歇爾技術標準

表2 其他技術標準

2.2 目標配合比

2.2.1 原材料的選擇

70#A級道路瀝青、粗集料及細集料(源自于本地石料廠，可以縮短材料運輸距離、減少成本)，施工所用各項原材料的質量指標均達到要求。

2.2.2 生產配合比設計

1)以目標配合比設計曲線為參照基準，盡可能使礦料級配貼近該曲線，不可產生鋸齒形交錯的現象，并且需要同時保證在0.3～0.6 mm內無“駝峰”現象。在各熱料倉取樣篩分，實現對配料比例的有效控制。

2)對于生產配合比的設計，聯合采取室內試驗和拌和機取樣試驗的方法，通過多種方式來確定最佳的瀝青用量；從油石比的角度來看，在控制該項指標時，以設計配合比最佳油石比為參照基準，要求不超過該值的±0.2%。對于體積指標和高溫穩定性的驗證，用大馬歇爾試件進行驗證。

3 下面層瀝青碎石混合料施工技術

為給下面層的施工提供正確的引導，提前選取具有代表性的路段，于該處組織試驗。考慮到試驗結果的可靠性、代表性要求，其長度需達到200 m，試拌ATB-25瀝青碎石混合料并將其用于攤鋪、壓實，期間及時檢查質量，采集數據，根據實際施工情況判斷施工方式的可行性，針對不足之處做出調整，直至得到完善且可行的方案為止。

3.1 施工前的全面核準

嚴格控制瀝青、集料等各類材料的用量。溫度控制較為關鍵，分多個階段考慮，其中集料、瀝青的加熱溫度分別為165℃～175℃、155℃～165℃，出料溫度160℃～170℃，出廠瀝青混合料的溫度不可低于該區間，但也不可過高，若在195℃以上，則不具備使用的價值，視為廢料進行處理。

3.2 瀝青混合料的拌和

合理控制拌和時間是保證瀝青混合料均勻性的重要前提，其中干拌7 s、濕拌50 s。此外，拌和機的上料速度、拌和數量均要得到有效的控制。

3.3 瀝青混合料的運輸

以瀝青混合料生產能力和現場攤鋪用量需求為主要的出發點，選擇合適運力的裝載車，保證數量配置合理。全面清理自卸車的車廂，待該處保持潔凈后，均勻噴涂防粘液。加強對每車瀝青混合料的溫度檢測，并觀察是否存在花白料、結團塊的現象，確認無質量問題后，用帆布覆蓋，開始運輸。

3.4 瀝青混合料的攤鋪

攤鋪采用的是ABG-525攤鋪機，共配備2臺，梯隊聯合作業，攤鋪寬度不大于6～8 m，相鄰兩幅攤鋪重疊量控制在10 cm，前后相距10～20 m。攤鋪機前等待卸料的車輛不少于5輛，攤鋪機以緩慢、勻速的狀態運行，速度在2 m/min以內，且全程不可隨意大幅變更速度以及急剎車。根據試驗確定的攤鋪方案施工，攤鋪溫度不低于150℃，攤鋪系數為1.20。

3.5 瀝青混合料的碾壓

攤鋪后隨即安排碾壓，分階段有序進行。初壓采用1臺11 t的雙鋼輪壓路機，做1遍碾壓處理，溫度140℃以上，速度2～3 km/h，碾壓遍數2～3遍。隨后及時安排復壓，實施2臺25 t膠輪壓路機聯合作業的方案，做2～3遍的碾壓處理，在此基礎上，安排2臺13 t雙鋼輪壓路機振動碾壓2～3遍，此階段的設備行進速度控制在2～3 km/h，溫度以130℃以上為宜。最后進入終壓環節，設備采用1臺11 t雙鋼輪壓路機，用該設備做1～2遍的靜壓處理，此環節速度可適當增加，以3～4 km/h為宜，終壓后表面溫度不低于90℃。

4 溫度場有限元模型的建立

軟件采用的是業內主流的ABAQUS軟件。首先，確定溫度邊界條件，建立溫度場計算模型，在此基礎上，組織溫度場數值分析工作；隨后，建立力學計算模型(考慮的是靜荷載作用)，將溫度場導入荷載分析步，經計算后確定具體的應力值和應變值。在結構力學行為的計算中，采取的是溫度和荷載耦合的方法，但若采用的是一維模型，則存在耦合的計算難度偏大的局限性，為此采取的是二維平面模型。模型建立環節，x方向為沿橫截面方向，y方向沿深度方向向下，以T(x,y,t)的方式表示路面結構溫度場函數。在具體的取值方面，x方向的重點考慮因素在于車道的寬度，此處取300 cm；對于y方向厚度，取100 cm，之所以做出此設定，主要考慮的是隨著路面結構深度的增加，環境溫度對其的影響有減弱的趨勢，并且以路表以下8 cm處較為特殊，從該處起幾乎不存在外界氣溫的影響。此時，溫度場的計算思路得以轉化，可以按平面應變問題加以解決。穩態熱分析環節，結合現場的氣象資料，設定一天內路表溫度變化值，具體為-20℃、-10℃、0℃、10℃、15℃、20℃，溫度對路面的影響有一條特定的路徑，即以路表的對流邊界和輻射邊界兩項條件發生傳遞，此時隨著外界溫度的改變，路面體受到相應的影響。

4.1 溫度與荷載耦合應力計算有限元模型的建立

下面層厚度h值考慮為6、8、10、12、15 cm，首先確定的是24 h內各時刻的溫度場，進而建立有限元結構模型，向分析步中導入溫度場，經過求解后確定路面結構在應力和應變兩方面的具體表現。對于荷載作用下的有限元模型，考慮的是雙圓均布垂直荷載，標軸軸載BZZ-100，輪載P=25 kN，輪壓p=0.7 MPa，半徑d=0.106 5 m，標準軸載為100 kN，其作用在兩個面上，因此在對其作用形式進行分析時，可以簡化為平面問題，在此作用關系下，施加的荷載未達到100 kN，經轉換后為117 371 Pa(遵循的是靜力等效原則)。

4.2 溫度與荷載耦合作用下的力學分析

依托ABAQUS軟件計算，生成路面模型應力和變形云圖。下面層材料考慮的是ATB-25混合料，厚度為6、8、10、12、15 cm，具體的應力及彎沉計算結果如圖1所示。

(a)下面層層底應力

分析發現，下面層層底應力在不同厚度下的增加速率存在差異，其中8～10 cm時增加最快，而繼續增加厚度后，速率有變慢的跡象。由此說明，若下面層層厚在10 cm以上，無論是下面層還是基層，各自的層底應力均呈現出減小的變化特征，由此進一步認為下面層的厚度以10～11 cm較為合適。

5 下面層厚度的合理設置

瀝青路面厚度在18～30 cm時，其鋪筑作業可以分為上、中、下三層有序完成，并且需要合理控制各層的厚度，以下面層厚度為例，該值需在9 cm以上。瀝青混合料不易壓實的因素較多，其中起到主導作用的是瀝青混合料的壓實厚度過小，由于無法得到有效的壓實處理，難以全面保證路面的質量，導致其出現車轍、水損害等問題。為切實提高路面的性能，需要合理設計下面層的厚度，而此時的關鍵則是充分考慮瀝青混合料路面厚度與骨料公稱最大粒徑的關系，試驗發現，前者為后者的3倍時較為合適。

6 施工質量控制措施

6.1 機械設備的質量控制

正式攤鋪前，根據施工要求配備機械設備，做全面的檢維修，保證各類機械設備均有良好的工作性能，以免對攤鋪作業造成影響。

6.2 碾壓的控制措施

碾壓作業實施的是分段施工的原則，分段長度以30～50 m為宜，精準確定各段的位置，在段與段間做好標記。鋼輪壓路機是碾壓環節的重要設備，其配套的噴施裝置可以自動控制噴水間隔時間(基于脈沖裝置而實現)，將瀝青混合料的溫度控制在合理的區間內。

6.3 瀝青混合料離析的預防措施

針對ATB-30密級配瀝青混合料易離析的問題，采取如下措施予以預防。

1)在瀝青混合料拌和階段，篩選材料，剔除粒徑超出合理范圍的材料；對傳感器進行標定，及時檢測信息并反饋。拌和階段，對每盤料做詳細的檢查，判斷是否有離析現象，確保任何離析的混合料均不出廠。

2)瀝青混合料裝載完成后，對車廂的頂面和側面采取保溫措施，實現對溫度的有效控制，避免溫度異常下降，同時保證瀝青混合料溫度的一致性。運至現場后，安排卸料，此時仍需觀察是否有離析現象，若有則不具備使用的價值。

3)加強對攤鋪機鋪筑寬度的控制，通常該值不大于6 m。

4)提升施工的規范性，有效操控受料斗翼板，避免其翻動過快，否則會影響供料的均勻性，也容易造成瀝青混合料的離析。

5)配套高精度的料位傳感器，根據其反饋的信息靈活采取控制措施。

6)注重連續性攤鋪，非必要不中斷，同時攤鋪速度不宜過快。

7)根據螺旋送料器的結構特點，在其前側設橡膠擋片，在其中間和兩端設反向葉片，采取此類配套方法的作用在于避免瀝青混合料在螺旋送料器內旋轉時發生離析。

8)聯合應用多種方法對瀝青混合料進行檢查，包含核子密度儀檢測、紅外溫度檢測器檢測、鋪砂法檢測等，全面匯總各方法采集到的信息，對瀝青混合料是否離析做系統性的判斷，若有則安排返工，有效處理問題。

7 結 語

在公路瀝青路面施工中，ATB-25瀝青碎石混合料為關鍵的材料，其具有瀝青用量少、粒徑較大的特點，因而施工期間易發生離析。針對該問題，必須規范拌和、運輸、攤鋪、碾壓各階段的各項工作，以防離析。在本工程中，根據通車后車轍試驗數據可以得知，建立的嵌擠骨架-密實型結構有較高的動穩定度，其在日常使用中的抗車轍性能表現良好，于車輛通行而言對其安全性提供了保障，于公路自身而言則耐久性得以提升，適宜作為公路路面結構。

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